[미디어파인 칼럼 = 이상원 기자] TV 화면을 구성하고 의사들이 종양을 공급하는 혈관을 볼 수 있도록 돕는 양자점들에 대한 연구는 세 명의 과학자에게 2023년 노벨 화학상을 안겨주었다. 스웨덴 왕립과학원은 지난 10월 4일 화학자 무지 바웬디, 화학자 루이 브루스, 물리학자 알렉세이 에키모프가 양자점의 발견과 합성에 대해 수상했다고 발표했다. 양자점은 분자와는 다른 새로운 종류의 물질이다. 가로 길이가 대략 몇십억분의 일 미터인 이 나노 입자들의 크기를 조정하는 것만으로도 광학적, 전기적, 자기적, 심지어 녹는 점들에 대한 그들의 특성을 바꿀 수 있다.
그것은 색깔에 대해서도 마찬가지이다. 만약 분자로 다른 색깔을 만들고 싶다면, 다른 구조로 배열된 새로운 분자 새로운 원자 집합을 선택하면 된다. 양자점이 빛에 의해 조사될 때 내부의 전자들은 에너지를 띠게 되고, 결국 그 에너지를 형광으로 방출하게 된다. 점들이 작으면 작을수록 전자의 파동함수를 더 많이 압축하고, 전자의 에너지를 증가시켜 점이 파란색으로 보이도록 한다. 더 큰 점들은 빨간색으로 나타난다.
다른 물질로 만들어진 같은 크기의 점들도 약간 다른 빛의 파장을 방출할 수 있다고 미국 화학 협회의 분과인 CAS의 화학자들은 말한다. 양자점은 보통 그래핀, 셀레나이트 또는 금속 황화물과 같은 반도체 물질로 만들어진다. 따라서 물질이나 양자점의 크기를 조절함으로써 화학자들은 다양한 용도로 그들의 특성을 변화시킬 수 있다.
이 나노 입자들의 크기가 그들의 성질을 바꿀 수 있다는 생각은 거의 1세기 전에 예측되었지만, 그 당시에는 현실 세계에서 그 효과를 재현하는 것이 불가능해 보였다. 그것을 하기 위해서, 연구자들은 완벽하게 결정질인 물질이 필요할 것이고, 그것을 원자 층별로 조각함으로써 나노 물질의 크기를 매우 정확하게 조절할 필요가 있을 것이다.
그러고 나서, 1980년대 초, 에키모프와 브루스는 독립적으로 이것을 할 수 있다는 것을 보여주었다. 뉴욕 브라이어클리프 매너에 있는 나노크리스탈 테크놀로지 사에 있는 에키모프는 이것을 유리에서 보여주었고, 작은 결정들을 만들기 위해 염화구리를 첨가했다. 이후 유리의 색깔이 그 결정들의 크기와 관련이 있다는 것을 밝혔다. 콜롬비아 대학교의 브루스는 비슷한 발견을 했다.
그 발견들은 다양한 응용을 위해 이 작은 점들을 어떻게 활용할 것인가에 대한 깊은 관심을 촉발했다. 그러나 그것들을 제조하는 것은 정확한 사양대로 입자의 크기를 조절할 수 있는 것을 요구한다. 10년 후, MIT의 Bawendi는 용액에서 결정체의 성장 속도를 정확하게 조절하는 방법을 개발했고 그것들이 원하는 크기에 도달했을 때 그것들을 바로 멈출 방법을 알아냈다. 과학자들은 작은 결정체를 순간적으로 형성하는 용액에 화학 시약들을 먼저 주입하고 해당 입자들의 성장을 멈추면서 즉시 그 용액의 온도를 조절했다.
[이상원 칼럼니스트]
고려대 산업경영공학과(재학 중)
미디어파인 대학생칼럼니스트 겸 기자